Логическое устройство это в информатике

Логическое устройство компьютера и представление данных

1. Логическое устройство компьютера и принципы фон Неймана2.

1.1. Логическое устройство компьютера

В соответствии с общими логическими принципами устройства компьютера можно выделить главные составляющие:

• память (запоминающее устройство, ЗУ), состоящую из перенумерованных ячеек;
• процессор, включающий в себя устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ);
• устройства ввода и вывода информации;
• каналы связи, по которым передается информация.

Логическая схема устройства компьютера представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Логическая схема устройства компьютера

Каналы передачи информации и каналы передачи управляющих сигналов выделены на схеме, соответственно, жирными и тонкими стрелками.

Память выполняет следующие функции:

• хранение информации;
• приём информации из других устройств;
• выдача информации по запросу в другие устройства машины.

Состав и функции процессора взаимосвязаны.

1. Обработка данных по заданной программе путем выполнения арифметических и логических операций. Та часть процессора, которая выполняет команды, называется арифметико-логическим устройством (АЛУ).

2. Программное управление работой устройств компьютера. Та часть процессора, которая управляет устройствами, называется устройством управления (УУ).

Обычно эти два устройства конструктивно не разделены, и выделяются только логически.

Регистры процессора – специализированные области памяти внутри процессора, которые предназначены для кратковременного хранения числа или команды.

Регистры состоят из триггеров, которые способны хранить одну двоичную цифру (разряд двоичного кода). Триггеры связаны друг с другом общей системой управления.

Регистры различаются по типу в соответствии с видом выполняемой операции. Назовем некоторые регистры:

• сумматор – регистр АЛУ, в котором выполняются все операции над операндами;
• счетчик команд – регистр УУ, в котором содержится адрес очередной выполняемой команды;
• регистр команд – регистр УУ, в котором хранится код команды во время ее выполнения. Часть разрядов регистра команд используется для хранения кода операции, другие для хранения кодов адресов операндов.

1.2. Принципы построения компьютера

Общие принципы построения компьютеров сформулированы американским ученым Джоном фон Нейманом в 1945 г.

1. Принцип программного управления. Заключается в том, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.

Выборка программы из памяти осуществляется с помощью регистра процессора, называемого счетчиком команд. Счетчик команд хранит адрес очередной команды, последовательно увеличивая его на длину команды, тем самым организуется выборка цепочки команд из последовательно расположенных ячеек памяти. Таким образом, процессор исполняет программу автоматически, без вмешательства человека.

2. Принцип однородности памяти. Заключается в том, что программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти – число, текст или команда, поэтому над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными. В процессе своего выполнения программа также может подвергаться изменению, что позволяет задавать программно правила получения некоторых ее частей, например, организация вызова подпрограмм. Команды одной программы могут быть получены как результаты исполнения другой программы. На этом принципе основаны методы трансляции – перевода текста программы с языка программирования высокого уровня во внутреннее машинное представление, в язык команд данного компьютера.

3. Принцип адресности. Структурно основная память состоит из перенумерованных ячеек, причем, процессору в каждый момент времени доступна любая ячейка. Имеется возможность программно именовать области памяти, чтобы оперировать их значениями с использованием присвоенных имен.

Компьютеры, построенные на этих принципах, относятся к типу фон-неймановских.

арифметико-логическое устройство

(АЛУ), часть процессора компьютера, в которой непосредственно выполняются арифметические и логические операции над числами, обычно выраженными в двоичном коде. Состоит из двоичных сумматоров, регистров для кратковременного хранения чисел и устройства управления. Основными параметрами являются разрядность (32–64 разряда в современных компьютерах) и быстродействие (время выполнения одной элементарной операции, напр. сложения). Строится с помощью логических элементов – электронных устройств, выполняющих простейшие логические операции над входными сигналами в соответствии с правилами алгебры логики.

Энциклопедия «Техника». — М.: Росмэн . 2006 .

Смотреть что такое «арифметико-логическое устройство» в других словарях:

• арифметико-логическое устройство — АЛУ Часть процессора, выполняющая набор его арифметических и логических команд. [http://www.morepc.ru/dict/] Тематики информационные технологии в целом Синонимы АЛУ EN ALUArithmetic Logic Unit … Справочник технического переводчика
• арифметико-логическое устройство — (АЛУ), часть ЭВМ, в которой непосредственно выполняются арифметические и логические операции над числами … Энциклопедический словарь
• АРИФМЕТИКО-ЛОГИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО — (АЛУ), часть ЭВМ, в к рой непосредственно выполняются арифметич. и логич. операции над числами … Естествознание. Энциклопедический словарь
• Арифметическо-логическое устройство — Эта статья или раздел нуждается в переработке. Пожалуйста, улучшите статью в соответствии с правилами написания статей … Википедия
• Читающее устройство — читающий автомат, устройство для автоматического распознавания изображений букв, цифр или других знаков, напечатанных или написанных на бумаге в обычном для человека виде. Ч. у. предназначены преимущественно для автоматического ввода… … Большая советская энциклопедия
• ЦЕНТРАЛЬНОЕ ПРОЦЕССОРНОЕ УСТРОЙСТВО — (ЦПУ), часть цифрового компьютера, которая управляет всеми операциями. В большинстве современных компьютеров ЦПУ состоит из одной СЛОЖНОЙ ИНТЕГРАЛЬНОЙ СХЕМЫ (ИС), выполненной в виде ЧИПА, носящего название МИКРОПРОЦЕССОРА. ЦПУ содержит также… … Научно-технический энциклопедический словарь
• АЛУ — арифметико логическое устройство … Универсальный дополнительный практический толковый словарь И. Мостицкого
• КОМПЬЮТЕР — устройство, выполняющее математические и логические операции над символами и другими формами информации и выдающее результаты в форме, воспринимаемой человеком или машиной. Первые компьютеры использовались главным образом для расчетов, т.е.… … Энциклопедия Кольера
• АЛУ — арифметико логическое устройство арифметическое логическое устройство … Словарь сокращений русского языка
• Процессор — центральное устройство ЦВМ, выполняющее заданные программой преобразования информации и осуществляющее управление всем вычислительным процессом и взаимодействием устройств вычислительной машины. Иногда вместо термина «П.» употребляют… … Большая советская энциклопедия

Арифметико-логическое устройство

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) – важнейшая часть процессора. Оно позволяет выполнять разнообразные арифметические и логические операции над операндами. Вид выполняемой АЛУ операции определяет программист, составляющий управляющую программу. Программа, хранящаяся в оперативной памяти, по частям передается в процессор, где и выполняется. Таким образом, процессор лишь исполняет указания программиста, выраженные в виде совокупности команд (программы).

Процессор (как и все другие цифровые устройства) воспринимает управляющие сигналы и операнды в виде двоичных чисел. Результат также формируется в виде двоичных чисел. Однако программисты составляют управляющие программы чаще всего на языках программирования высокого уровня (Паскаль, Бейсик, Си…). В момент трансляции программы ее текст превращается в набор двоичных чисел (объектный код). Именно эти двоичные числа заставляют процессор (в том числе и АЛУ) выполнять операции, запланированные программистом.

Структурная схема простейшего АЛУ показана на рисунке выше.

Два многоразрядных операнда (числа, буквы, символы и т.д.), подлежащие обработке в АЛУ, подаются на входыА и В. Результат выполнения операции появляется на выходе F. Вид операции, выполняемой в АЛУ, определяется сигналами, которые подаются на входы S иM.

Таким образом при сложении чисел 2 и 3 одно из них подается на входА, а второе на — вход В. В этот момент времени на шины Sи М подается двоичное число, которое на обыденном языке означает команду (приказ) «Выполнить арифметическое сложение». Результат сложения – число 5 появляется на выходе F.

У входов M и S одинаковое назначение – определять вид выполняемой в АЛУ операции. Эти входы разделены лишь с методической целью. Сигнал на входе М (Mode – режим) определяет, какую операцию будет выполнять АЛУ – логическую или арифметическую.

Например, простейший тип АЛУ (К155ИП3, американский аналог — 74181) имеет малую разрядность – лишь 4 бита. По этой причине разработчики АЛУ предусмотрели возможность увеличения (наращивания) разрядности устройства (в случае возникновения такой необходимости). Увеличить разрядность АЛУ можно за счет использования нескольких секций (микросхем) и двух специальных шин C₀ и C_n+1.

Шина C₀ при создании многоразрядных конструкций используется для приема переноса, формируемого в предыдущей (младшей) секции (микросхеме). Шина C_n+1 служит для передачи арифметического переноса из младшей секции в старшую. Другими словами: если у разработчика в наличии имеется n-разрядное АЛУ, то для получения разрядности 2n нужно взять еще одну аналогичную микросхему, объединить параллельно входы S и M, а выход Cn₊₁ младшей секции соединить со входом C₀ старшей секции (микросхемы).

Логические и арифметические операции отличаются тем, что в логических операциях вычисления производятся поразрядно (между собой взаимодействуют только одноименные разряды и переносов между разрядами нет). При выполнении арифметических операций в случае необходимости происходят переносы между соседними разрядами (от младшего разряда к старшему).

Проиллюстрируем сказанное двумя примерами: логической операцией ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и арифметическим сложением. Обе операции выполняются по одинаковым правилам, но в арифметическом сложении допускается перенос между разрядами.

Предположим, что имеется два десятичных числа A= 12D и B = 10D. В двоичной системе счисления эти числа имеют вид: A =1100Bи B =1010B.

В результате выполнения логической операции ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ получается четырехразрядное число 0110B. После выполнения арифметического сложения на выходе F появляется четырехразрядное число 0110B, а на шине C_n+1 присутствует логическая единица. Этот сигнал свидетельствует о возникновении переноса в пятый разряд, то есть в следующую старшую секцию восьмиразрядного АЛУ.

Работу четырехразрядного АЛУ можно описать выражением:

В этой формуле индексами i отмечены номера разрядов операндов A и B и выходного сигнала F.

Если на управляющие входы такого АЛУ подать сигналы M = 1, S₃ = 1, S₂ = 0, S₁ = 1, S₀ = 1, то АЛУ будет выполнять операциюF_i = A_iB_i, то есть операцию конъюнкции (логическое умножение). Этот результат получается при подстановке исходных данных в приведенную формулу.

Изменяя пять управляющих сигналов M, S₃,…S₀, можно «заставить» такое АЛУ выполнить 32 различные операции (16 логических и 16 арифметических).

Так присутствие на управляющих входах двоичного числа M = 0, S₃ = 1, S₂ = 0, S₁ =0, S₀ = 1 заставит АЛУ выполнить арифметическое сложение чисел, поступивших на шины A и B, и к полученному результату прибавить значение переноса из предыдущей секции, то есть F_i = A_i + B_i+ C₀.

Таблица показывает, как, изменяя управляющие сигналы, можно задавать вид выполняемой операции.

Арифметико-логическое устройство

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) — центральная часть процессора, выполняющая арифметические и логические операции.

АЛУ реализует важную часть процесса обработки данных. Она заключается в выполнении набора простых операций. Операции АЛУ подразделяются на три основные категории: арифметические, логические и операции над битами. Арифметической операцией называют процедуру обработки данных, аргументы и результат которой являются числами (сложение, вычитание, умножение, деление. ). Логической операцией именуют процедуру, осуществляющую построение сложного высказывания (операции И, ИЛИ, НЕ. ). Операции над битами обычно подразумевают сдвиги.

История создания

Разработчик компьютера ENIAC, Джон фон Нейман, был первым создателем АЛУ. В 1945 году он опубликовал первые научные работы по новому компьютеру, названному EDVAC (Electronic Discrete Variable Computer). Годом позже он работал со своими коллегами над разработкой компьютера для Принстонского института новейших исследований (IAS). Архитектура этого компьютера позже стала прототипом архитектур большинства последующих компьютеров. В своих работах фон Нейман указывал устройства, которые, как он считал, должны присутствовать в компьютерах. Среди этих устройств присутствовало и АЛУ. Фон Нейман отмечал, что АЛУ необходимо для компьютера, поскольку оно гарантирует, что компьютер будет способен выполнять базовые математические операции включая сложение, вычитание, умножение и деление

Структура АЛУ

АЛУ состоит из регистров, сумматора с соответствующими логическими схемами и элемента управления выполняемым процессом. Устройство работает в соответствии с сообщаемыми ему именами (кодами) операций, которые при пересылке данных нужно выполнить над переменными, помещаемыми в регистры.

Арифметико-логическое устройство функционально можно разделить на две части :

1. микропрограммное устройство (устройство управления), задающее последовательность микрокоманд (команд);
2. операционное устройство (АЛУ), в котором реализуется заданная последовательность микрокоманд (команд).

Рисунок 1 — Структурная схема арифметико-логического устройства

Структурная схема АЛУ и его связь с другими блоками машины показаны на рисунке 1. В состав АЛУ входят регистры Рг1 — Рг7, в которых обрабатывается информация , поступающая из оперативной или пассивной памяти N1, N2, . NS; логические схемы, реализующие обработку слов по микрокомандам, поступающим из устройства управления.

Закон переработки информации задает микропрограмма , которая записывается в виде последовательности микрокоманд A1,A2, . Аn-1,An. При этом различают два вида микрокоманд: внешние, то есть такие микрокоманды, которые поступают в АЛУ от внешних источников и вызывают в нем те или иные преобразования информации (на рис. 1 микрокоманды A1,A2. Аn), и внутренние, которые генерируются в АЛУ и воздействуют на микропрограммное устройство, изменяя естественный порядок следования микрокоманд. Например, АЛУ может генерировать признаки в зависимости от результата вычислений: признак переполнения, признак отрицательного числа, признак равенства 0 всех разрядов числа др. На рис. 1 эти микрокоманды обозначены р1, p2. рm.

Результаты вычислений из АЛУ передаются по кодовым шинам записи у1, у2, . уs, в ОЗУ. Функции регистров, входящих в АЛУ:

• Рг1 — сумматор (или сумматоры) — основной регистр АЛУ, в котором образуется результат вычислений;
• Рг2, РгЗ — регистры слагаемых, сомножителей, делимого или делителя (в зависимости от выполняемой операции);
• Рг4 — адресный регистр (или адресные регистры), предназначен для запоминания (иногда и формирования) адреса операндов и результата;
• Ргб — k индексных регистров, содержимое которых используется для формирования адресов;
• Рг7 — i вспомогательных регистров, которые по желанию программиста могут быть аккумуляторами, индексными регистрами или использоваться для запоминания промежуточных результатов.

Часть операционных регистров является программно-доступной, то есть они могут быть адресованы в команде для выполнения операций с их содержимым. К ним относятся : сумматор, индексные регистры, некоторые вспомогательные регистры.

Остальные регистры программно-недоступные, так как они не могут быть адресованы в программе. Операционные устройства можно классифицировать по виду обрабатываемой информации, по способу обработки информации и логической структуре.

АЛУ может оперировать четырьмя типами информационных объектов: булевскими (1 бит), цифровыми (4 бита), байтными (8 бит) и адресными (16 бит). В АЛУ выполняется 51 различная операция пересылки или преобразования этих данных. Так как используется 11 режимов адресации (7 для данных и 4 для адресов), то путем комбинирования «операция/ режим адресации» базовое число команд 111 расширяется до 255 из 256 возможных при однобайтном коде операции.

Классификация АЛУ

• По способу действия над операндами АЛУ делятся на последовательные и параллельные. В последовательных АЛУ операнды представляются в последовательном коде, а операции производятся последовательно во времени над их отдельными разрядами. В параллельных АЛУ операнды представляются параллельным кодом и операции совершаются параллельно во времени над всеми разрядами операндов.
• По способу представления чисел различают АЛУ:
  1. для чисел с фиксированной точкой;
  2. для чисел с плавающей точкой;
  3. для десятичных чисел.
• По характеру использования элементов и узлов АЛУ делятся на блочные и многофункциональные. В блочном АЛУ операции над числами с фиксированной и плавающей точкой, десятичными числами и алфавитно-цифровыми полями выполняются в отдельных блоках, при этом повышается скорость работы, так как блоки могут параллельно выполнять соответствующие операции, но значительно возрастают затраты оборудования. В многофункциональных АЛУ операции для всех форм представления чисел выполняются одними и теми же схемами, которые коммутируются нужным образом в зависимости от требуемого режима работы.
• По своим функциям АЛУ является операционным блоком, выполняющим микрооперации, обеспечивающие приём из других устройств (например, памяти) операндов, их преобразование и выдачу результатов преобразования в другие устройства. Арифметическо-логическое устройство управляется управляющим блоком, генерирующим управляющие сигналы, инициирующие выполнение в АЛУ определённых микроопераций. Генерируемая управляющим блоком последовательность сигналов определяется кодом операции команды и оповещающими сигналами.

Операции в АЛУ

Выполняемые в АЛУ операции можно разделить на следующие группы:

• операции двоичной арифметики для чисел с фиксированной точкой;
• операции двоичной (или шестнадцатеричной) арифметики для чисел с плавающей точкой;
• операции десятичной арифметики;
• операции индексной арифметики (при модификации адресов команд);
• операции специальной арифметики;
• операции над логическими кодами (логические операции);
• операции над алфавитно-цифровыми полями.

Современные ЭВМ общего назначения обычно реализуют операции всех приведённых выше групп, а малые и микроЭВМ, микропроцессоры и специализированные ЭВМ часто не имеют аппаратуры арифметики чисел с плавающей точкой, десятичной арифметики и операций над алфавитно-цифровыми полями. В этом случае эти операции выполняются специальными подпрограммами. К арифметическим операциям относятся сложение, вычитание, вычитание модулей («короткие операции») и умножение и деление («длинные операции»). Группу логических операций составляют операции дизъюнкция (логическое ИЛИ) и конъюнкция (логическое И) над многоразрядными двоичными словами, сравнение кодов на равенство. Специальные арифметические операции включают в себя нормализацию, арифметический сдвиг (сдвигаются только цифровые разряды, знаковый разряд остаётся на месте), логический сдвиг (знаковый разряд сдвигается вместе с цифровыми разрядами). Обширна группа операций редактирования алфавитно-цифровой информации